-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe zur Förderung eines Fluids in einer Pumpenkammer.
-
Bei bekannten Pumpentypen, bei denen Fluid dadurch gefördert wird, dass eine elastische Außenwand einer Pumpenkammer verformt wird, wird das Fluid üblicherweise durch einen elastischen Schlauch geleitet, der dann wiederum in einem Pumpengehäuse so befestigt und abgestützt werden muss, dass eine elastische Verformung möglich ist. Diese Befestigung und Abstützung ist oft nur relativ aufwendig zu bewerkstelligen, denn einerseits soll der elastische Schlauch verformbar bleiben, um eine gute Pumpleistung zu erreichen, und andererseits soll der elastische Schlauch sicher und stabil im Pumpengehäuse befestigt sein, ohne dass Knicke oder übermäßige mechanische Belastungen einzelner Schlauchabschnitte auftreten.
-
Die vorliegende Erfindung löst daher die Aufgabe, eine verbesserte Pumpe bereitzustellen, bei welcher auf eine besonders einfache Art und Weise eine zumindest teilweise elastische Pumpenkammer realisiert werden kann und bei der Fluid durch einen einfachen und robusten Pumpmechanismus gefördert werden kann.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Pumpe gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Pumpe ein röhrenförmiges Gehäuse, einen flexiblen Schlauch, der im Gehäuse vorgesehen ist, wobei eine Pumpenkammer zwischen einer Innenwand des Gehäuses und einer Außenwand des flexiblen Schlauchs gebildet ist, mindestens ein Anschlusselement an einem Ende bzw. an jeweiligen Enden der Pumpenkammer, durch das bzw. die Fluid in die Pumpenkammer hinein und aus dieser hinausgeführt wird, und eine Aktivierungseinheit, die dazu ausgelegt ist, den flexiblen Schlauch durch Anlegen eines Überdrucks oder Unterdrucks an einen Innenraum des flexiblen Schlauchs zu verformen, wodurch das Volumen der Pumpenkammer vergrößert oder verkleinert wird. Die Verformung des flexiblen Schlauchs durch die Aktivierungseinheit bewirkt eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Pumpenkammervolumens, so dass ein in der Pumpenkammer befindliches Fluid verdrängt oder angesaugt wird. Da das Fluid zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Außenwand des flexiblen Schlauchs gefördert wird, kann der flexible Schlauch besonders einfach und stabil im Gehäuse befestigt werden, was wiederum die Verwendung eines relativ weichen Materials wie Silikon auch bei hohen Drücken erlaubt. Am Ein- bzw Auslass ist dabei (jeweils) eine Ventilanordnung angebracht, welche eine Rückströmung des Fluids entgegen der Förderrichtung verhindert.
-
Hierbei kann es vorgesehen sein, dass die Pumpenkammer nur eine einzige Öffnung nach außen hat, wobei das Fluid über denselben Ein-/Auslass eingesaugt und ausgestoßen wird. Alternativ können (wenigstens) zwei unterschiedliche Ein-/Auslassanschlüsse vorgesehen werden, so dass die Pumpe Fluid von einem Einlassanschluss zu einem Auslassanschluss transportiert.
-
Gemäß einiger Ausführungsformen kann der flexible Schlauch elastisch entgegen der durch die Aktivierungseinheit ausgeübten Kraft vorgespannt sein. Daher muss die Aktivierungseinheit zum Pumpen des Fluids lediglich eine Kraft in einer Richtung auf den flexiblen Schlauch ausüben, und der flexible Schlauch stellt sich aufgrund der elastischen Vorspannung wieder in die Ausgangsposition zurück.
-
Die wenigstens eine Ventilanordnung kann dabei als passives oder aktives Ventil ausgestaltet sein.
-
Alternativ können wobei mindestens drei Einheiten, umfassend jeweils einen flexiblen Schlauch, eine zwischen dem flexiblen Schlauch und einer Gehäusewand gebildete Pumpenkammer und eine zugeordnete Aktivierungseinheit, in Reihe miteinander verbunden sein, so dass ein Fluidkanal gebildet wird, der sich durch die mindestens drei hintereinander liegenden Pumpenkammern erstreckt, und wobei die jeweils außen liegenden Einheiten als Ventilanordnung für jeweils wenigstens eine innen liegende Einheit dienen. Somit funktionieren jeweils einzelne Pumpenkammern als Ventil, um das Fluid in der gewünschten Förderrichtung zu fördern und einen unerwünschten Rückfluss von Fluid entgegen der Förderrichtung zu verhindern, und es kann eine Pumpe ohne zusätzliche Ventile an den Anschlusselementen realisiert werden.
-
Die Aktivierungseinheit kann derart ausgelegt sein, dass sie den flexiblen Schlauch mittels pneumatischer oder hydraulischer Einwirkung verformt. Dadurch kann eine besonders einfache und robuste Aktivierungseinheit realisiert werden, die ohne oder mit lediglich wenigen beweglichen mechanischen Teilen auskommt. Die Förderung des Fluids in der Pumpenkammer erfolgt bei einigen Ausführungsformen durch die Anwendung von Luftdruck bzw. Hydraulikflüssigkeit und/oder durch Anlegen von Unterdruck an das Innere des flexiblen Schlauchs.
-
Im Inneren des flexiblen Schlauchs kann ein festes Füllelement vorgesehen sein, welches einen Hohlraum im Inneren des flexiblen Schlauchs wenigstens teilweise ausfüllt. Dadurch kann das Volumen, welches zur Verformung des flexiblen Schlauchs mit Druck oder Unterdruck beaufschlagt werden muss, reduziert werden. Im Pneumatikfall reduziert dies das einzubringende Luftvolumen deutlich, im Hydraulikfall ist weniger Hydraulikflüssigkeit nötig.
-
insbesondere kann das feste Füllelement im entspannten Zustand des flexiblen Schlauchs den Hohlraum im Inneren des flexiblen Schlauchs vollständig ausfüllen, um eine besonders effiziente Verformung des flexiblen Schlauchs bei einer Einbringung eines relativ geringen Luftvolumens oder einer relativ geringen Menge von Hydraulikflüssigkeit zu erreichen.
-
Bei einigen Ausführungsformen kann die Aktivierungseinheit einen Druckluftbehälter umfassen, wobei zur Verformung des flexiblen Schlauchs Druckluft in den Innenraum des flexiblen Schlauchs eingeleitet wird. Durch Ein- und Ausleiten der Druckluft kann der flexible Schlauch schnell und gezielt verformt werden, um eine Pumpenfunktion mit einer hohen Pumpleistung zu erzielen.
-
Alternativ kann die Aktivierungseinheit ein Hydraulikreservoir umfassen, und wobei zur Verformung des flexiblen Schlauchs Hydraulikflüssigkeit in den Innenraum des flexiblen Schlauchs eingeleitet wird. Auch mit einem Hydrauliksystem kann eine schnelle und zuverlässige Verformung des flexiblen Schlauchs und somit eine hohe Pumpleistung erzielt werden.
-
Gemäß anderer Ausführungsformen kann die Aktivierungseinheit wenigstens einen Kolben umfassen, welcher zur Verformung des elastischen Schlauchs in einen mit dem Innenraum des flexiblen Schlauchs verbundenen Hohlraum bewegbar ist. Dadurch kann die Verformung des flexiblen Schlauchs auch durch eine mechanische Aktivierungseinheit bewirkt werden.
-
Um die Verformung des flexiblen Schlauchs beim Anlegen eines Drucks oder Unterdrucks an den Innenraum des flexiblen Schlauchs gezielt zu beeinflussen, kann der flexible Schlauch mit einer entlang der Förderrichtung des Fluids variablen Wandstärke ausgeführt sein.
-
Um einen besonders sicheren Betrieb der Pumpe zu gewährleisten, kann der flexible Schlauch doppelwandig ausgeführt sein, so dass ein innen liegender Schlauch mit dem Füllelement in Kontakt ist und ein außen liegender Schlauch mit der Pumpenkammer in Kontakt ist. Selbst wenn sich ein Riss in einer Wand des doppelwandigen Schlauchs bilden sollte, kann somit sichergestellt werden, dass beispielsweise keine Hydraulikflüssigkeit aus dem Inneren der Pumpe austreten kann, und es kann verhindert werden, dass zu pumpendes Fluid in das Innere des Füllelements eindringen kann.
-
Die beiliegenden Zeichnungen stellen beispielhaft Einzelheiten einiger Ausführungsformen dar. Die Zeichnungen dienen dabei lediglich der Illustration einzelner Aspekte der jeweiligen beispielhaften Ausführungsformen zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigt:
- 1 ein Beispiel für eine Pumpe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 einen beispielhaften Ablauf eines Pumpenzyklus bei der in 1 gezeigten Pumpe;
- 3 eine schematische Illustration für den Fluss von Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit und dem zu fördernden Fluid bei einer weiteren Abwandlung der in 1 gezeigten Pumpe
- 4 ein Beispiel für eine Pumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5a ein Beispiel für eine Aktivierungseinheit bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5b eine Schnittansicht durch einen Teil der Pumpe gemäß der dritten Ausführungsform;
- 6 eine Pumpe gemäß einer vierten Ausführungsform; und
- 7 eine Pumpe gemäß einer fünften Ausführungsform.
-
Eine Pumpe 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein röhrenförmiges Gehäuse 1, in dem ein flexibler Schlauch 2 angeordnet ist. Der flexible Schlauch kann aus einem elastischen Material hergestellt sein z.B. aus Gummi, Silikon, thermoplastischem Vulkanisat (TPV oder TPE-V), thermoplastischen Elastomeren wie Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol (SEBS), usw.
-
Eine Pumpenkammer 3 ist zwischen einer Innenwand des Gehäuses 1 und dem flexiblen Schlauch 2 gebildet. Im Inneren des flexiblen Schlauchs 2 ist ein festes Füllelement 4 vorgesehen. Eine Aktivierungseinheit 5 leitet Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit in das Innere des flexiblen Schlauchs 2, so dass der flexible Schlauch 2 verformt wird und dadurch das Volumen der Pumpenkammer 3 verringert werden kann. An den Enden des Gehäuses 1 sind jeweils Einlass- und Auslassventile VInlet, VOutlet angeordnet, so dass Fluid jeweils von einem Einlassanschluss 6 zu einem Auslassanschluss 7 gefördert wird.
-
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform füllt das feste Füllelement 4 das Innere des flexiblen Schlauchs 2 im entspannten Zustand im Wesentlichen vollständig aus, wobei im festen Füllelement 4 Kanäle 4a, 4b gebildet sein können, welche die Druckluft bzw. Hydraulikflüssigkeit im Inneren des flexiblen Schlauchs 2 leiten. Dadurch kann eine Verformung des flexiblen Schlauchs 2 bereits mit relativ geringen Volumina an eingeleiteter Druckluft bzw. Hydraulikflüssigkeit erzielt werden.
-
Somit wird bei der Pumpe 10 das zu fördernde Fluid nicht innerhalb des flexiblen Schlauchs 2 gefördert, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, sondern die Pumpenkammer 3 der vorliegenden Pumpe 10 liegt außerhalb des flexiblen Schlauchs 2, zwischen einer Außenwand des flexiblen Schlauchs 2 und einer Innenwand des Gehäuses 1. Aufgrund der Geometrie des röhrenförmigen Gehäuses 1 mit einem darin liegenden flexiblen Schlauch 2 ermöglicht dies eine perfekte Abstützung des Schlauchs 2, was wiederum die Verwendung eines relativ weichen Materials wie Silikon auch bei hohen Drücken erlaubt. Durch die Verwendung eines formfesten, aber elastisch verformbaren Kunststoffmaterials für den flexiblen Schlauch 2 kann hierbei die Pumpfunktion optimal unterstützt werden.
-
Wie in 1 schematisch dargestellt ist, wird die Pumpenfunktion über die Aktivierungseinheit (Pressure Controller) 5 gesteuert, welcher periodisch Druckluft bzw. Hydraulikflüssigkeit in die Kanäle 4a, 4b hineinleitet, um den flexiblen Schlauch 2 zu verformen. Dabei können jeweils das Einlassventil VInlet und das Auslassventil VOutlet können aktive oder passive Ventile sein. Bei aktiven Ventilen ist es möglich, mit variablen Schaltzeiten die Pumpencharakteristik und die Pumpenleistung zusätzlich zu beeinflussen.
-
Gemäß einiger Ausführungsformen können mindestens die fluidberührenden Teile der Pumpe 10 als Einmalartikel ausgeführt werden, um eine hygienische und besonders einfach zu wartende Pumpe 10 beispielsweise für die Anwendung im Lebensmittelbereich bereitzustellen.
-
Ein beispielhafter Pumpzyklus bei der Verwendung aktiver Einlass- und Auslassventile VInlet, VOutlet ist der in 2 dargestellte Ablauf, bei dem zunächst in Schritt S1 das Einlassventil VInlet geöffnet und das Auslassventil VOutlet geschlossen wird, so dass zu förderndes Fluid in die Pumpenkammer 3 einströmen kann. Anschließend wird in Schritt S2 das Aktivierungselement 5 derart eingestellt, dass es einen Unterdruck Psuct an das Innere des flexiblen Schlauchs 2, bzw. an die Kanäle 4a, 4b des Füllelements 4 anlegt, um den flexiblen Schlauch 2 an das Füllelement 4 anzusaugen und somit das Einströmen des zu fördernden Fluids zu erleichtern. Nachdem in Schritt S3 eine Zeitspanne Tsuct abgewartet worden ist, wird in Schritt S4 das Einlassventil VInlet geschlossen und das Auslassventil VOutlet geöffnet. Um das zu fördernde Fluid aus der Pumpenkammer 3 zum Auslass 7 hin zu verdrängen, wird dann in Schritt S5 das Aktivierungselement 5 derart betrieben, dass Druckluft oder Hydraulikfluid mit einem Druck Pconv in das Innere des flexiblen Schlauchs 2 bzw. in die Kanäle 4a, 4b des Füllelements 4 eingeleitet wird, um den flexiblen Schlauch 2 zu verformen. Nachdem in Schritt S6 eine weitere Verzögerungszeit Tconv abgewartet wurde, während das Fluid aus dem Auslass 7 der Pumpenkammer 3 strömt, wird ein weiterer Pumpenzyklus gestartet und der Ablauf kehrt zurück zu Schritt S1.
-
3 zeigt eine Abwandlung der ersten Ausführungsform, wobei der flexible Schlauch 2 mit einer variablen Wandstärke ausgeführt ist. Dabei wird ersichtlich, dass durch eine Verwendung des flexiblen Schlauchs 2 mit variabler Wandstärke die Verformung des flexiblen Schlauchs 2 derart eingestellt werden kann, dass der flexible Schlauch beispielsweise an der Einlassseite systematisch weiter öffnet als an der Auslassseite. Um diesen Vorteil auch beim Auspumpen des Fluids aus der Pumpenkammer 3 auszunutzen, ist es vorteilhaft, wenn Einlass und Auslass an derselben Seite der Pumpenkammer 3 angeordnet sind. Wie in 3 gezeigt, kann beispielsweise ein Mehrwegeventil 16 verwendet werden, um das Fluid jeweils durch einen Einlassanschluss 6 in die Pumpenkammer 3 hinein oder durch einen Auslassanschluss 7 aus der Pumpenkammer 3 heraus zu leiten.
-
Bei der in 1 gezeigten Aktivierungseinheit 5 können ein Druck und/oder ein Unterdruck mit einem Druck- und einem Unterdruckreservoir erzeugt werden. Mittels einer Venturidüse, die mit einem Teil der ausströmenden Luft betrieben wird, kann optional zusätzlich das Entleeren des Inneren des Schlauchs beschleunigt werden.
-
Weiterhin kann die Pumpe 10 mit Druck- und oder Durchflusssensoren ausgestattet sein, so dass die Aktivierungseinheit 5 auf Basis der Sensorsignale geeignet gesteuert werden kann. In der in 4 gezeigten Ausführungsform sind ein Drucksensor 9a und ein Durchflusssensor 11 dargestellt.
-
Der Durchsatz und die Pumpleistung der Pumpe 10 können hierbei über die Frequenz der Pumpzyklen, über Schaltzeiten und Drosselung der aktiven Ein- und Auslassventile VInlet, VOutlet und/oder über Schaltzeiten und Drosselung der Ein- und Auslassventile der aktiven Pneumatik- bzw. Hydraulikventile eingestellt werden.
-
4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Pumpe 10 der vorliegenden Erfindung, wobei die Aktivierungseinheit 5 über ein Luftreservoir (in Fig, 4 nicht gezeigt) verfügt, und ein Druckluftventil 8 vorgesehen ist, um den Zustrom aus dem Luftreservoir zu steuern. Außerdem sind bei der in 4 gezeigten Ausführungsform beispielhaft Sensoren dargestellt, die zur Steuerung des Betriebs der Pumpe 10 verwendet werden können, wie z.B. ein Drucksensor 9a oder ein Temperatursensor 9b zur Überwachung der Temperatur des zu fördernden Fluids.
-
Durch die pneumatische Aktivierung werden geringe Scherkräfte im Fluid bei der Verformung des flexiblen Schlauchs 2 und bei dem Betrieb des Aktivierungselements 5 erzeugt.
-
Eine dritte Ausführungsform der Pumpe 10 ist in 5a und 5b gezeigt. Hierbei umfasst das Aktivierungselement 5 einen oder mehrere Kolben 12, wobei ein alternierender Unter- und Überdruck im Inneren des flexiblen Schlauchs 2 bzw. in den Kanälen 4a, 4b im Inneren des Füllelements 4, das den Innenraum des flexiblen Schlauchs 2 ausfüllt, durch eine Bewegung des bzw. der Kolben 12, erzeugt wird. Bei der in 5a gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist ein Kolben 12 vorgesehen, der in einem Kolbengehäuse 14 geführt wird und über einen Verbindungsbalken 13 mit zwei Linearmotoren 15, die den Kolben 12 antreiben, gekoppelt ist. Alternativ ist auch denkbar, dass mehrere Kolben 12 vorgesehen sein können, und/oder dass ein einziger Linearmotor 15 einen oder mehrere Kolben 12 antreiben könnte.
-
Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein Kolben direkt in den Innenraum des flexiblen Schlauchs 2 bzw. in das Füllelement 4 eingeführt wird, um den Luftdruck innerhalb des flexiblen Schlauchs 2 zu erhöhen und den flexiblen Schlauch 2 zu verformen. Hierzu könnte das Füllelement 4 beispielsweise auch länger sein als die Pumpenkammer, wobei die Fluidkanäle 4a, 4b im Inneren des Füllelements 4 entsprechend abgepasst würden. Diese Abwandlung könnte auch mit den einseitigen Anschlüssen und der variierenden Wandstärke des Schlauchs 2 (siehe 3a und 3b) kombiniert werden.
-
Durch die Bewegung der Kolben 12 kann bei dieser Ausführungsform insbesondere die Rückstellung des flexiblen Schlauchs 2 in seine entspannte Stellung besonders schnell erreicht werden, da bei der Bewegung der Kolben 12 aus dem Innenraum des Schlauchs 2 heraus ein Unterdruck im Inneren des Schlauchs 2 erzeugt wird.
-
6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Pumpe 10, welche im Wesentlichen der ersten Ausführungsform (siehe 1) entspricht, mit dem Unterschied, dass der flexible Schlauch 2 bei der vierten Ausführungsform doppelwandig ausgeführt ist. Ein Innenschlauch 2a liegt mit seiner Innenwand an dem Füllelement 4 an, und ein Außenschlauch 2b bildet mit seiner Außenwand die innere Begrenzung der Pumpenkammer 3.
-
Insbesondere, wenn die Pumpe 10 hydraulisch betrieben wird, kann durch den doppelwandigen Schlauch 2a, 2b eine verbesserte Hygiene und Betriebssicherheit erzielt werden, denn selbst wenn einer der beiden Einzelschläuche 2a, 2b reißen sollte, kann ein Austreten von Hydraulikflüssigkeit oder ein Eindringen von Fluid aus der Pumpenkammer 3 in die Kanäle 4a, 4b im Füllelement 4 verhindert werden.
-
Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung somit eine Pumpe 10 bereit, mit welcher insbesondere im Lebensmittelbereich mit einem relativ einfachen Aufbau eine hohe Förderleistung und hohe Drücke realisiert werden können. Dadurch, dass die fluidberührenden Teile der Pumpe 10 als Einwegartikel ausgeführt werden können, kann die Pumpe besonders einfach gewartet werden und hygienisch betrieben werden. Dadurch, dass der Pumpenkanal 3 zwischen einer Außenwand des flexiblen Schlauchs 2 und einer Innenwand des röhrenförmigen Gehäuses 1 gebildet ist, kann in den Innenraum des flexiblen Schlauchs 2 Druckluft oder Hydraulikfluid eingeleitet werden, um den flexiblen Schlauch 2 zu verformen, ohne dass zur Verformung des flexiblen Schlauchs 2 eine mechanische Einheit, wie beispielsweise ein rotierender Nocken oder dergleichen, bereitgestellt werden müsste.
-
An Einlass- und Auslassanschlüssen 6, 7 der Pumpenkammer 3 können Ventile vorgesehen sein, welche als aktive Ventile ausgeführt sein können, um den Pumpenzyklus gezielt zu steuern, oder als passive Ventile, um einen besonders einfachen Aufbau der Pumpe 10 zu gewährleisten. Um ganz ohne zusätzliche Ventile auszukommen, können bei der erfindungsgemäßen Pumpe 10 auch mehrere, beispielsweise mindestens drei Pumpenkammern in Reihe miteinander verbunden sein, wobei durch geeignete Ansteuerung der einzelnen Aktivierungselemente 5 bzw. flexiblen Schläuche 2 jeweils eine Pumpenkammer 3 als „Ventil“ für eine jeweils benachbarte Pumpenkammer 3 dient.
-
Alternativ kann, wie in 7 gezeigt, die Pumpe 10 gemäß einer fünften Ausführungsform auch als ein Pumpentyp mit einer einzigen Ein-/Auslassöffnung 6, 7 realisiert werden, bei der Einlass 6 und Auslass 7 an derselben Seite liegen, wobei ein oder mehrere zusätzliche Ventile (in 7 nicht dargestellt) das Fluid beim Einsaugen oder Ausstoßen aus der Pumpenkammer entsprechend leiten.
-
Die erfindungsgemäße Pumpe 10 kann dadurch betrieben werden, dass der Innenraum des flexiblen Schlauchs entweder mit Druck- bzw. Unterdruckreservoiren verbunden wird, so dass Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit alternierend in den Innenraum des flexiblen Schlauchs 2 hinein- und aus diesem herausgeleitet wird, oder es kann eine Kolbenmechanik vorgesehen sein, wobei der Druck im Innenraum des flexiblen Schlauchs 2 durch die Bewegung eines Kolbens oder mehrerer Kolben 12 abwechselnd erhöht oder gesenkt wird.
-
Um das Volumen an Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit, welches zur Verformung des flexiblen Schlauchs 2 benötigt wird, zu minimieren, kann der Innenraum des flexiblen Schlauchs zumindest teilweise mit einem festen Füllelement 4 ausgefüllt sein. Kanäle 4a, 4b im Füllelement 4 können dabei derart angeordnet sein, dass die Verformung des flexiblen Schlauchs 2 beispielsweise gleichmäßig über die gesamte Länge des Pumpenkanals 3 erreicht wird, oder dass gezielt eine stärkere oder schnellere Verformung im Einlass- und/oder Auslassbereich erzielt wird. Auch durch eine variable Wandstärke des flexiblen Schlauchs 2 können die Verformungseigenschaften beeinflusst werden.
